一体化机械施工船和基于该施工船的风电整机施工方法与流程

1.本发明属于海上风电基础技术领域，具体的说，是涉及一种一体化机械施工船和基于该施工船的风电整机施工方法。


背景技术：

2.随着风能资源的不断开发，海上风机趋于巨型化发展。传统运输安装及回收方法因其吃水深度、起吊高度等因素限制，越来越难以满足海上风机的发展趋势，延缓了风电行业的发展。传统海上风机运输安装及回收施工过程中主要存在以下缺点：
3.1、无法运风电整机，需依赖多个大型运输船分段运输风机部件至指定海域，并在外海现场组装施工，极大增加了施工时间及难度，容易导致工期的延误；
4.2、需配套大型起吊装置，运输船和起吊装置在施工工程中存在相对运动，在吊装过程中产生的耦合效应会大大增加吊装难度及危险性；
5.3、无法实现自动一体化下沉安装，需配备大型打桩及灌浆设施设备，才能保证风机基础承载力及稳性要求，极大增加了施工时间及成本；
6.4、无法实现高效回收，且回收之后原有风机基础无法换址利用，原有场地土地扰动程度大，二次利用风险性较高。
7.由于海上风能具有风速高、风速稳定、不占用土地等优点，已成为目前风能发展的趋势和重点，而在海上建立风电场除了其明显的优势外也带来一些不可避免的问题，其中之一就是其基础工程的建设成本远远高于陆地风机。因此，降低海上风电场建设的成本是海上风机发展的关键所在。


技术实现要素：

8.本发明要解决的是海上风电整机施工的相关技术问题，提供了一体化机械施工船和基于该施工船的风电整机施工方法，能够保证海上风电整机运输安装及回收过程的安全性、经济性、自动化程度以及减少外海施工难度及时间，实现风电整机和风电场的二次高效利用；利用一体化机械施工船便可以完成多个多筒导管架基础风电整机运输和现场安装回收施工作业，不仅节约了船舶资源，缩短海上安装的施工工期，还大大降低了海上安装的成本。
9.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
10.根据本发明的一个方面，提供了一种一体化机械施工船，包括：
11.滑轨，铺设在一体化机械施工船的甲板表面，并且沿一体化机械施工船的长度方向设置；
12.运载板车，与所述滑轨相匹配，能够沿所述滑轨直线移动；
13.升降机构，设置在一体化机械施工船的船尾；所述升降机构包括能够相对于甲板升降的升降面板，所述升降面板处于最高位置状态时，所述升降面板表面的所述滑轨与所述甲板上的所述滑轨对接；
14.固定支座，用于所述运载板车在甲板和所述升降机构就位时对所述运载板车限位固定；
15.起吊装置，设置在一体化机械施工船的船尾。
16.进一步地，一体化机械施工船用于运输、安装和/或回收多筒导管架基础风电整机，所述运载板车用于承载多筒导管架基础风电整机，所述起吊装置用于吊装多筒导管架基础风电整机。
17.进一步地，所述滑轨靠甲板一侧铺设，所述起吊装置布置在甲板另一侧。
18.进一步地，所述升降面板的最高位置与甲板齐平，所述升降面板的最低位置根据多筒导管架基础风电整机的设定深度确定。
19.进一步地，所述运载板车包括运载面板，所述运载面板下部安装有至少两组滚轮，每组滚轮之间连接有通孔轴，所述通孔轴配置有电机；通过所述电机驱动所述通孔轴带动滚轮转动，使所述运载板车沿所述滑轨直线移动。
20.更进一步地，所述固定支座设置有多组，每组的两个所述固定支座设置在所述滑轨两边，每个所述固定支座设置有定位通孔；所述运载板车在甲板和升降机就位时，所述固定支座的定位通孔与所述运载板车的通孔轴共轴线，通过锚栓依次插入所述定位通孔和所述通孔轴，能够将所述运载板车限位固定。
21.进一步地，所述运载面板设置有抱紧装置，用于固定多筒导管架基础风电整机。
22.根据本发明的另一个方面，提供了一种基于上述一体化机械施工船的多筒导管架基础风电整机施工方法，其运输安装过程包括：
23.(1)在所述一体化机械施工船上进行至少一个多筒导管架基础风电整机的装船作业；
24.(2)所述一体化机械施工船行驶至指定海域；
25.(3)由最靠近所述升降机构的所述运载板车开始依次安装多筒导管架基础风电整机；每个多筒导管架基础风电整机的安装过程如下：
26.解除甲板上所述固定支座对所述运载板车的限位固定，在所述升降面板处于最高位置状态下，将载有待安装多筒导管架基础风电整机的所述运载板车移动至所述升降面板，利用所述升降面板上的所述固定支座限位固定载有所述多筒导管架基础风电整机的所述运载板车；
27.将所述起吊装置的吊钩与所述多筒导管架基础风电整机的吊耳连接；
28.通过升降机构使升降面板下降至所述多筒导管架基础风电整机达到设定深度，关闭所述多筒导管架基础风电整机各吸力筒顶盖设置的通气/水孔；解除所述运载板车对所述多筒导管架基础风电整机的固定；其中，所述设定深度为吸力筒内部气体体积占吸力筒体积的10％
‑
30％范围内的所述多筒导管架基础风电整机所在深度；
29.通过所述起吊装置将所述多筒导管架基础风电整机由所述升降面板上方牵引至所述一体化机械施工船的船尾后部；
30.所述多筒导管架基础风电整机自重下沉后负压下沉到指定位置，并对吸力筒内部的土体进行负压加固；
31.解除所述起吊装置与所述多筒导管架基础风电整机的连接。
32.进一步地，所述装船作业包括：
33.所述一体化机械施工船停泊至指定工作码头，指定工作码头铺设有能够与所述升降面板相对接的轨道，该轨道上预先安装好所述运载板车；
34.使用陆上吊机将所述多筒导管架基础风电整机吊装至所述运载板车上，并将所述多筒导管架基础风电整机固定于所述运载板车；
35.所述运载板车将所述多筒导管架基础风电整机由指定工作码头起始沿所述轨道和所述滑轨运输至所述一体化机械施工船甲板上的设计停放位置，通过甲板上的固定支座对运载板车限位固定。
36.根据本发明的另一个方面，提供了一种基于上述一体化机械施工船的多筒导管架基础风电整机施工方法，其回收过程包括：
37.(1)所述一体化机械施工船行驶至指定海域，调整所述一体化机械施工船位置，使待回收多筒导管架基础风电整机对应于其船尾后部的下方；
38.利用所述升降机构调整所述升降面板处于最低位置状态，并通过所述升降面板上的固定支座固定所述运载板车；
39.将所述起吊装置的吊钩与所述多筒导管架基础风电整机的吊耳连接；
40.(2)通过吸力筒顶盖设置的通气/水孔注水将所述多筒导管架基础风电整机顶起，至吸力筒完全出土后打开所述通气/水孔，利用所述起吊装置将所述多筒导管架基础风电整机提升至设定深度；
41.(3)通过所述起吊装置将所述多筒导管架基础风电整机由船尾后部牵引至所述升降面板上方；
42.(4)将所述多筒导管架基础风电整机与固定在所述升降面板上所述运载板车固定连接；
43.(5)利用所述升降机构调整所述升降面板上升至最高位置状态，将载有所述多筒导管架基础风电整机的所述运载板车沿所述滑轨运行至所述甲板的设计停放位置。
44.本发明的有益效果是：
45.本发明的一体化机械施工船和基于该施工船的风电整机施工方法，不仅节约了船舶资源，可同时运输多个多筒导管架基础风电整机，实现多筒导管架基础风电整机一体化运输安装回收，缩短海上施工工期，降低了海上施工成本；并且大大限制了多筒导管架基础风电整机与一体化机械施工船之间的相对运动，运输技术难度小，安全性能高，避免使用大型设备，且运输安装回收过程一体化，协调性强，使用范围广，可二次利用。
46.通过一体化机械施工船上设计的运载板车和滑轨配合的方式，实现多筒导管架基础风电整机在一体化机械施工船上便捷性移动，结合固定支座和锚栓的固定，明显增强下沉过程中的结构稳定性，保证了下沉安装过程中的安全性。
47.通过一体化机械施工自带的起吊装置，避免另外配合大型起吊船辅助，节约了船舶资源，有效缓解了外海吊装施工过程中起吊装置与吊装物之间的相对运动耦合效应，有效控制了多筒导管架基础风电整机下沉过程中的浮稳性，大大减小了施工难度；
48.综上，本发明结合多筒导管架基础风电整机结构特点，通过一体化机械施工船即可完成多个多筒导管架基础风电整机运输安装及回收工作，具备施工成本低，技术难度小，安装施工快速，避免使用大型设备，综合造价低，使用范围广，可二次利用等诸多优势，开拓了海上风电整机运输安装及回收施工的新形式。
附图说明
49.图1为本发明所提供一体化机械施工船的结构示意图；
50.图2为多筒导管架基础海上风电整机的结构示意图；
51.图3为本发明所提供一体化机械施工船的升降机构的结构示意图。
52.图4为本发明所提供一体化机械施工船的运载板车的结构示意图；
53.图5为本发明所提供一体化机械施工船的固定支座的结构示意图；
54.图6为本发明所提供一体化机械施工船的抱紧装置的结构示意图。
55.上述图中：1、多筒导管架基础风电整机，2、滑轨，3、升降机构，4、一体化机械施工船，5、起吊装置；6、运载板车；7、滚轮；8、通孔轴；9、固定支座；10、运载面板；11、抱紧装置；12、锚栓；13、涡轮蜗杆传动装置；14、升降面板。
具体实施方式
56.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
57.如图1所示，本发明提供了一种一体化机械施工船4，并且提供了基于该一体化机械施工船4的多筒导管架基础风电整机1施工方法，可以通过一体化机械施工船4运输、安装和回收多个多筒导管架基础风电整机1。
58.如图2所示，多筒导管架基础风电整机1一般包括三至四个吸力筒，多个吸力筒通过其上方筒顶加强段与导管架连接。吸力筒主体为钢筒，由筒壁及盖板构成。吸力筒的盖板均匀布置有多个通气/水孔，通气/水孔与吸力筒内部空间连通，主要用于对吸力筒内部充气操作。导管架由空间桁架和过渡段焊接而成，空间桁架的立柱底部连接于吸力筒顶部中心，过渡段用于与塔筒连接。导管架顶部通过过渡段与塔筒连接，塔筒上部连接风机。多筒导管架基础风电整机1结构强度高，承载力强，对深水风电场具有很强的适用性。
59.一体化机械施工船4的甲板表面靠船体一侧铺设有两条沿船体长度方向设置的滑轨2，船体另外一侧用于留出安置起吊装置5和其余工作生活的必需空间。两条滑轨2相互平行，间距通常为10
‑
15m，其中一条滑轨2距离甲板边沿2
‑
3m铺设。两条滑轨2铺设长度根据一体化机械施工船4的长度所定，通常为150
‑
200m。
60.一体化机械施工船4的船尾设置有升降机构3和起吊装置5，升降机构3位于一体化机械施工船4的甲板上滑轨所在一侧，起吊装置5位于一体化机械施工船4的甲板另一侧。
61.如图3所示，升降机构3包括涡轮蜗杆传动装置13和与涡轮蜗杆传动装置13连接的升降面板14，涡轮蜗杆传动装置13由电机驱动带动升降面板14上升或下降。升降面板14表面也设置有滑轨2，升降面板14处于最高位置状态下，升降面板14与一体化机械施工船4的甲板齐平，使升降面板14成为甲板的一部分；同时升降面板14表面滑轨2与甲板上滑轨对齐并连接为整体。升降面板14处于最低位置状态下，升降面板14没入水面以下一定距离，该距离根据多筒导管架基础风电整机1达到设定深度确定。
62.起吊装置5距船尾10
‑
15m，距船侧5
‑
10m；起重方式及规格同现有起重船的起吊装置一致，绞车型式为液压绞车。
63.如图4所示，运载板车6包括运载面板10、通孔轴8、滚轮7、电机。运载面板10的尺寸为30m
×
30m
×
0.4m，用于放置多筒导管架基础风电整机1。滚轮7的尺寸与滑轨2尺寸匹配，
轮宽15
‑
20cm，直径30
‑
50cm，滚轮7能够沿滑轨2进行滚动。通孔轴8垂直于滑轨2，其长度与两条滑轨2的间距相同，为10
‑
15m。四个滚轮轮7设置在运载面板10下部，相对设置的两个滚轮7之间通过通孔轴8连接，通孔轴8两端通过轴承与运载面板10连接，通孔轴8配置有电机。通过电机驱动，使通孔轴8带动滚轮7转动，从而实现运载板车6承载多筒导管架基础风电整机1在滑轨2进行直线移动。
64.如图5所示，两条滑轨2的两边分别布置有若干成组设置的固定支座9，固定支座9对应于多筒导管架基础风电整机1在一体化机械施工船4甲板就位时的运载板车6所在位置，以及多筒导管架基础风电整机1在升降机构3就位时的运载板车6所在位置。固定支座9底部固定于两条滑轨2两边的甲板上，固定支座9上部设置有直径为10cm的定位通孔，该定位通孔的轴线与就位时运载板车6的通孔轴8轴线在共线。当运载板车6承载多筒导管架基础风电整机1移动至设计停放位置时，运载板车6的通孔轴8与固定支座9的定位通孔对齐。通过直径为9cm的锚栓12依次插入固定支座9的定位通孔和运载板车6的通孔轴8，从而将运载板车6限位固定。
65.如图6所示，多筒导管架基础风电整机1通过抱紧装置11与运载板车6的运载面板10固定连接。抱紧装置11沿多筒导管架基础风电整机1各吸力筒四周布置，每个吸力筒对应布置有4
‑
6个抱紧装置11；抱紧装置11下部固定于运载面板10，上部设置有卡扣结构，这些卡扣结构能够卡住吸力筒的对应位置，实现多筒导管架基础风电整机1与运载板车6刚性连接。
66.基于该一体化机械施工船4的多筒导管架基础风电整机1施工方法，其运输安装过程如下：
67.(1)进行多筒导管架基础风电整机1的装船作业：
68.一体化机械施工船4停泊至指定工作码头，指定工作码头铺设有能够与升降面板14相对接的轨道，该轨道上预先安装好运载板车6。使用陆上吊机将多筒导管架基础风电整机1吊装至运载板车6的运载面板10上，通过抱紧装置11卡住多筒导管架基础风电整机1的各个吸力筒，使得多筒导管架基础风电整机1与运载板车6成为无相对运动的同一运动体系。
69.运载板车6将多筒导管架基础风电整机1由指定工作码头起始沿轨道和滑轨2运输至一体化机械施工船4甲板上的设计停放位置，将锚栓12通过固定支座9的定位通孔沿运载板车6的通孔轴8贯入，进行运载板车6的限位固定，此时多筒导管架基础风电整机1各吸力筒的通气/水孔处于打开状态。
70.多次重复上述过程，将多个载有多筒导管架基础风电整机1的运载板车6依次固定至一体化机械施工船4的各个设计停放位置。
71.(2)一体化机械施工船4行驶至指定海域，准备下放安装作业。
72.(3)对最靠近升降机构3的运载板车6抽出锚栓12，使该运载板车6能够沿滑轨2滑动。此时升降面板14处于最高位置状态，即升降面板14与一体化机械施工船4的甲板齐平，将载有待安装多筒导管架基础风电整机1的运载板车6滑动至升降面板14，通过锚栓12将升降面板14上的固定支座9与该运载板车6固定连接，保证该运载板车6与升降机构3成为无相对运动的同一运动体系。
73.(4)将一体化机械施工船4上的起吊装置5吊钩与多筒导管架基础风电整机1的吊
耳连接。
74.(5)启动升降机构3的电机，通过蜗轮蜗杆传动装置13使升降面板14定速下降。当升降面板14下降至多筒导管架基础风电整机1达到设定深度，关闭通气/水孔。打开抱紧装置11，使得多筒导管架基础风电整机1能够与运载板车6分离，此时由于多筒导管架基础风电整机1部分入水，多筒导管架基础风电整机1由起吊装置5吊起并且受到一定浮力。
75.其中，设定深度为吸力筒内部气体体积占吸力筒体积的10％
‑
30％范围内的多筒导管架基础风电整机1所在深度。
76.(6)起吊装置5通过吊臂旋转，将多筒导管架基础风电整机1由升降面板14上方水平牵引至一体化机械施工船4的船尾后部，准备下沉。
77.(7)多筒导管架基础风电整机1自重下沉后负压下沉到指定位置，并对吸力筒内部的土体进行负压加固。具体操作如下：
78.打开通气/水孔，使得多筒导管架基础风电整机1自重下沉，多筒导管架基础贯入土体表面，直至自重与土体阻力平衡而停止下沉，水泵通过通气/水孔进行抽水或抽气，增大吸力筒内部与外界的压力差，使多筒导管架基础风电整机1负压下沉到指定位置；在下沉过程中，通过通气/水孔对不同吸力筒进行进/排水或排气操作，进而实现对多筒导管架基础风电整机1的调平操作；下沉结束后继续进行一段时间负压，对吸力筒内部的土体进行负压加固。
79.(8)完成上述操作后解除起吊装置5吊钩与多筒导管架基础风电整机1的吊耳连接，一体化机械施工船4行驶至下一安装地点，重复上述步骤(2)
‑
(7)进行下一个最靠近升降机构3的运载板车6上多筒导管架基础风电整机1的安装。
80.基于该一体化机械施工船4的多筒导管架基础风电整机1施工方法，其回收过程如下：
81.(1)一体化机械施工船4行驶至指定海域，调整一体化机械施工船4位置至待回收多筒导管架基础风电整机1位于船尾后部下方；
82.升降机构3调整升降面板14处于最低位置状态，且通过锚栓12和固定支座9在升降面板14上固定运载待回收多筒导管架基础风电整机1的运载板车6；
83.将一体化机械施工船4上起吊装置5的吊钩与多筒导管架基础风电整机1的吊耳连接。
84.(2)通过通气/水孔向吸力筒内部缓慢注水将待回收多筒导管架基础风电整机1顶起，当吸力筒完全出土后打开通气/水孔，利用起吊装置5将多筒导管架基础风电整机1提升至设定深度。
85.此时，吸力筒处于未完全浮出水面状态，起吊装置5仍承担一部分多筒导管架基础风电整机1自重，保证提升过程中多筒导管架基础风电整机1的浮稳性。
86.(3)起吊装置5通过吊臂旋转，将多筒导管架基础风电整机1由船尾后部水平牵引至升降面板14上方。
87.(4)通过升降面板14上运载板车6的抱紧装置11卡住多筒导管架基础风电整机1的各个吸力筒，使得多筒导管架基础风电整机1与运载板车6成为无相对运动的同一运动体系。
88.(5)启动升降机构3的电机，通过蜗轮蜗杆传动装置13使升降面板14定速上升。当
升降面板14与一体化机械施工船4的甲板齐平后，将载有多筒导管架基础风电整机1的运载板车6沿滑轨2运行至甲板的设计停放位置，完成该多筒导管架基础风电整机1的回收。
89.此后，一体化机械施工船4可行驶至其他指定海域，完成另外多筒导管架基础风电整机1的回收。
90.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。